CN218241771U - 基于扫描转镜的晶圆激光退火设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型具体涉及一种基于扫描转镜的晶圆激光退火设备，包括激光器、扩束镜、偏振元件、反射镜、光束整形器、扫描转镜、远心场镜、运动平台、晶圆载台、相机系统和计算机，运动平台包括具有不同运动方向的第一运动平台、第二运动平台和第三运动平台，第一运动平台底部活动安装有底座，第二运动平台位于第一运动平台顶部，第三运动平台位于第二运动平台上，晶圆载台安装在第三运动平台上。底座上设置有承载结构机械结构平面，激光器发出的光束经扩束镜扩束后通过偏振元件然后经过反射镜射入所述光束整形器整形，光束通过扫描转镜进行方向偏移后通过远心场镜入射到晶圆表面。激光器、扫描转镜、运动平台、晶圆载台和相机系统与计算机电连接。

Description

基于扫描转镜的晶圆激光退火设备

技术领域

本实用新型涉及半导体芯片制造的技术领域，特别是涉及一种基于扫描转镜的晶圆激光退火设备。

背景技术

随着半导体技术的发展，高性能、高集成度半导体芯片的需求量越来越大，芯片的制作难度也越来越高。晶圆的退火工艺是通过热源加热晶圆，从而实现晶圆材料升温，以达到晶圆的晶格修复、掺杂离子激活、晶圆晶相变化、硅与金属材质的结合加强等目的。

半导体制造工艺中退火技术主要有炉管退火、快速热退火和激光退火三种。主流的退火工艺为快速热退火和激光退火。快速热退火通过在硅片正面或者背面使用卤素灯泡或者灯管的方式对硅片整面进行加热，整体被加热到1100℃左右，从而实现硅片损伤修复和元素的激活。激光退火通过设备产生的激光束对硅片表面局部区域加热，其加热温度可以超过1400℃，从而达到表面激光照射区域硅晶体熔化的效果，然后该熔化区域硅晶体损伤修复并且实现杂质元素激活。

一般的激光退火设备中的激光器主要采用248nm的KrF激光器、308nmXeCl、355nm、532nm全固态激光器和10.6μm的CO₂激光器，均是长脉冲激光或是连续激光，温度影响较大，热影响区大，光束移动机构多是两维扫描振镜或一维线型光斑。采用的激光脉冲宽度在1μs至1fs，属于短脉冲及超短脉冲激光，进行激光退火其加热深度浅，可以进行低热影响的退火加工，具有激光脉冲宽度窄、激光脉冲能量小、激光频率高等特点，但是由于激光脉冲能量小采用一维线性光斑技术会导致激光能量密度过低或其线性长度过短，由于激光频率高采用两维扫描振镜会导致光斑重叠度过高，扫描速度慢，影响激光退火的效果和效率。

实用新型内容

基于此，有必要针对激光退火热影响大、两维扫描振镜移动速度慢以及一维线形光斑需要高的激光脉冲能量的问题，提供一种基于扫描转镜的晶圆激光退火设备。

一种基于扫描转镜的晶圆激光退火设备，包括激光器、扩束镜、偏振元件、反射镜、光束整形器、扫描转镜、远心场镜、运动平台、晶圆载台、相机系统和计算机，所述运动平台包括具有不同运动方向的第一运动平台、第二运动平台和第三运动平台，所述第一运动平台底部安装有底座，所述第二运动平台安装在所述第一运动平台顶部，所述第三运动平台安装在所述第二运动平台顶部，所述晶圆载台安装在所述第三运动平台顶部；所述底座上设置有机械结构平面，所述激光器、扩束镜、偏振元件、反射镜、光束整形器、扫描转镜、远心场镜和相机系统架设在所述机械结构平面上；

所述激光器发出的光束经所述扩束镜扩束后通过所述偏振元件然后经过所述反射镜射入所述光束整形器整形，整形后的光束通过所述扫描转镜进行方向偏移后通过所述远心场镜入射到所述晶圆表面；

所述激光器、扫描转镜、运动平台、晶圆载台和相机系统分别与所述计算机电连接。

进一步的，所述第一运动平台沿X轴方向运动，所述第二运动平台沿Y轴方向运动，所述第三运动平台沿Z轴方向运动。

进一步的，所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述光束经所述第一反射镜反射到所述第二反射镜，经所述第二反射镜反射后到达所述光束整形器。

进一步的，所述激光器的激光波长为200nm～2000nm，激光脉冲宽度为1μs～1fs且可调整，激光脉冲频率为10KHz～100000KHz，激光脉冲能量为1μJ～1J，偏振类型为线偏振光，光束能量分布为高斯分布。

进一步的，所述偏振元件为λ/4波片以调整入射到所述晶圆表面的激光偏振态为圆偏振。

进一步的，所述光束整形器为高斯光斑整形器以将激光由高斯光斑变为平顶光斑。

进一步的，所述扫描转镜将光束偏移的偏移距离为10mm～1000mm，所述光束的偏移速度为2m/s～200m/s。

进一步的，所述远心场镜为单片透镜或者多片组合透镜，焦距为10mm～300mm，视场范围为10mm～1000mm。

进一步的，所述晶圆载台的平整度小于10μm。

上述基于扫描转镜的晶圆激光退火设备，通过计算机可以进行激光工艺参数设定，即激光波长、激光脉冲能量、激光频率、激光脉冲宽度、光束扫描速度等的参数设定。通过设定激光工艺参数以达到设定激光退火的深度控制，波长越短、脉冲宽度越小则激光退火深度越浅。通过设定激光脉冲能量、激光频率进行激光能量密度的控制从而进行晶圆退火温度的控制，激光能量密度越高晶圆退火的温度越高。

激光能量密度过低会导致退火不充分，过高会导致晶圆损伤，应设定合适的激光能量密度，一般激光能量密度在0.1～10J/cm²。该晶圆激光退火设备的脉冲宽度可以调节也可以是激光子脉冲之间组合成大的脉冲包络并以此来进行脉冲包络的脉冲宽度调整，加上采用扫描转镜的光束移动方式，配合激光器的高频光频率，以较小的激光光斑就可以实现高速的光束移动，较两维振镜可以提升10倍以上光束移动速度，较小的激光光斑需要的脉冲能量也更低。

该晶圆退火设备通过选择合适的激光波长、激光脉冲宽度就可以进行激光退火的深度控制。采用短脉冲及超短脉冲的激光退火可以获得更低的激光热量输入，减少对晶圆的损伤，同时可以控制激光退火的深度。通过设定激光脉冲能量、激光频率进行激光能量密度的控制从而进行晶圆退火温度的控制。

附图说明

图1为一个实施例的基于扫描转镜的晶圆激光退火设备的结构示意图。

图中：100、激光器；110、线偏振态高斯光束；120、扩束镜；130、偏振元件；200、反射镜；210、第一反射镜；220、第二反射镜；300、光束整形器；400、扫描转镜；500、远心场镜；600、晶圆载台；610、晶圆；700、相机系统；800、运动平台；810、第一运动平台；820、第二运动平台；830、第三运动平台；900、计算机。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，在一个实施例中，一种基于扫描转镜的晶圆激光退火设备，包括激光器100、扩束镜120、偏振元件130、反射镜200、光束整形器300、扫描转镜400、远心场镜500、相机系统700、晶圆载台600、运动平台800和计算机900。运动平台800包括第一运动平台810、第二运动平台820和第三运动平台830，第一运动平台810底部安装有底座且第一运动平台810可沿X轴方向运动，第二运动平台820安装在第一运动平台810顶部并可沿Y轴方向运动，第三运动平台830安装在第二运动平台820顶部并可沿Z轴方向运动。晶圆载台600固定安装在第三运动平台830顶部用于放置晶圆610。底座上设置有机械结构平台，激光器100、扩束镜120、偏振元件130、反射镜200、光束整形器300、扫描转镜400、远心场镜500和相机系统700依次架设在机械结构平台上。

在本实施例中，反射镜200包括第一反射镜210和第二反射镜220，激光器100发出的线偏振态高斯光束110入射到扩束镜120中，接着通过偏振元件130后变为圆偏振态高斯光束，然后依次通过第一反射镜210和第二反射镜220反射后射入到光束整形器300进行整形，整形后的光束通过扫描转镜400进行X轴方向的偏移，接着通过远心场镜500入射到晶圆610表面。

在本实施例中，激光器100、扫描转镜400、运动平台800、相机系统700均与计算机900电连接。激光器100的激光波长为532nm，激光脉冲宽度为10ps，激光子脉冲之间可以组合成大的脉冲包络以此来进行脉冲包络的脉冲宽度调整，激光子脉冲频率为50000KHz，激光脉冲包络频率为200KHz，激光脉冲包络能量为400μJ，偏振类型为线偏振光，光束能量分布为高斯分布。

在本实施例中，扩束镜120的倍率为3倍，偏振元件130为λ/4波片用于调整激光的偏振态，使入射到晶圆610表面的激光偏振态为圆偏振。光束整形器300为DOE整形器件，用于将激光能量分布由高斯分布变为平顶分布。扫描转镜400为一维扫描转镜，配合远心场镜500后单幅光束偏移距离为150mm，光束的偏移速度在2m/s～50m/s。远心场镜500的焦距为200mm，视场宽度为150mm，激光束入射到晶圆610表面为直径200μm的平顶光斑。

在本实施例中，先按预先设定角度和XY轴方向位置将12寸待退火的晶圆610放置在晶圆载台600上，此时，相机系统700拍摄晶圆610表面的特征图案，计算机900生成晶圆610的激光退火光束移动轨迹。之后通过计算机900设定激光工艺参数，激光脉冲能量400μJ，激光频率200KHz，激光脉冲宽度200ns，光束扫描速度10m/s。然后进行晶圆退火加工，打开激光器100，激光经扩束镜120、偏振元件130、第一反射镜210、第二反射镜220和光束整形器300后进入扫描转镜400，扫描转镜400高速旋转，激光束经过远心场镜500后在晶圆610表面沿X轴方向进行高速移动，光束在X轴方向移动150mm。完成一行X轴方向激光退火任务后第二运动平台820沿Y轴方向运动0.1mm，进行下一行X轴方向的退火任务，直至此列X轴方向的退火任务完成，接着进行X轴方向150mm的移动，进行下一列X轴方向的退火任务，直至完成整个晶圆610的退火加工。整个晶圆610的退火任务完成后，将晶圆610移出晶圆载台600。

上述基于扫描转镜的晶圆激光退火设备可以进行激光工艺参数设定，即激光波长、激光脉冲能量、激光频率、激光脉冲宽度、光束扫描速度等的参数设定。通过设定激光工艺参数以达到设定激光退火的深度控制，波长越短、脉冲宽度越小则激光退火深度越浅，通过设定激光脉冲能量、激光频率进行激光能量密度的控制从而进行晶圆退火温度的控制，激光能量密度越高晶圆退火的温度越高。激光能量密度过低会导致退火不充分，过高会导致晶圆损伤，应设定合适的激光能量密度，一般激光能量密度在0.1～10J/cm²。

该晶圆激光退火设备的脉冲宽度可以调节也可以是激光子脉冲之间组合成大的脉冲包络并以此来进行脉冲包络的脉冲宽度调整，加上采用扫描转镜的光束移动方式，配合激光器的高频光频率，以较小的激光光斑就可以实现高速的光束移动，较两维振镜可以提升10倍以上光束移动速度，较小的激光光板需要的脉冲能量也更低。

该晶圆退火设备通过选择合适的激光波长、激光脉冲宽度可以进行激光退火的深度控制，采用短脉冲及超短脉冲的激光退火可以获得更低的激光热量输入，减少对晶圆的损伤，同时可以控制激光退火的深度。通过设定激光脉冲能量、激光频率进行激光能量密度的控制从而进行晶圆退火温度的控制。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于扫描转镜的晶圆激光退火设备，其特征在于，包括激光器、扩束镜、偏振元件、反射镜、光束整形器、扫描转镜、远心场镜、运动平台、晶圆载台、相机系统和计算机，所述运动平台包括具有不同运动方向的第一运动平台、第二运动平台和第三运动平台，所述第一运动平台底部安装有底座，所述第二运动平台安装在所述第一运动平台顶部，所述第三运动平台安装在所述第二运动平台顶部，所述晶圆载台安装在所述第三运动平台顶部；所述底座上设置有机械结构平面，所述激光器、扩束镜、偏振元件、反射镜、光束整形器、扫描转镜、远心场镜和相机系统架设在所述机械结构平面上；

所述激光器发出的光束经所述扩束镜扩束后通过所述偏振元件然后经过所述反射镜射入所述光束整形器整形，整形后的光束通过所述扫描转镜进行方向偏移后通过所述远心场镜入射到所述晶圆表面；

所述激光器、扫描转镜、运动平台、晶圆载台和相机系统分别与所述计算机电连接。

2.根据权利要求1所述的基于扫描转镜的晶圆激光退火设备，其特征在于，所述第一运动平台沿X轴方向运动，所述第二运动平台沿Y轴方向运动，所述第三运动平台沿Z轴方向运动。

3.根据权利要求1所述的基于扫描转镜的晶圆激光退火设备，其特征在于，所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述光束经所述第一反射镜反射到所述第二反射镜，经所述第二反射镜反射后到达所述光束整形器。

4.根据权利要求1所述的基于扫描转镜的晶圆激光退火设备，其特征在于，所述激光器的激光波长为200nm～2000nm，激光脉冲宽度为1μs～1fs且可调整，激光脉冲频率为10KHz～100000KHz，激光脉冲能量为1μJ～1J，偏振类型为线偏振光，光束能量分布为高斯分布。

5.根据权利要求1所述的基于扫描转镜的晶圆激光退火设备，其特征在于，所述偏振元件为λ/4波片以调整入射到所述晶圆表面的激光偏振态为圆偏振。

6.根据权利要求1所述的基于扫描转镜的晶圆激光退火设备，其特征在于，所述光束整形器为高斯光斑整形器以将激光由高斯光斑变为平顶光斑。

7.根据权利要求1所述的基于扫描转镜的晶圆激光退火设备，其特征在于，所述扫描转镜将光束偏移的偏移距离为10mm～1000mm，所述光束的偏移速度为2m/s～200m/s。

8.根据权利要求1所述的基于扫描转镜的晶圆激光退火设备，其特征在于，所述远心场镜为单片透镜或者多片组合透镜，焦距为10mm～300mm，视场范围为10mm～1000mm。

9.根据权利要求1所述的基于扫描转镜的晶圆激光退火设备，其特征在于，所述晶圆载台的平整度小于10μm。

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